氧化石墨烯掺杂聚偏氟乙烯平板膜的制备及性能评价

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社会发展的同时,也随之带来了各种废水的大量排放,这使得原本就紧缺的水资源愈加匮乏。在节约用水的同时,废水回用业已成为水资源再利用的重要途径。膜技术效率高,已经在生活污水,工业废水处理等领域崭露头角。但是,在处理过程中,膜易被污染,导致膜的分离性能降低,这一劣势也是制约膜技术进一步发展的重要因素。因此,开发具有抗污染能力的膜成为研究人员关注的焦点。本文采用相转化法掺杂亲水粒子制备亲水性聚偏氟乙烯(PVDF)平板膜,并将其用于造纸废水的处理,研究其对造纸废水的处理效果。  首先,开发了掺杂氧化石墨烯(GO)的PVDF复合膜的制备技术。考察了制备GO/PVDF复合平板膜的工艺条件,并且对GO/PVDF平板膜的性能进行了研究。考察了GO对膜微观结构、渗透性能的影响,随后考察了膜对0.5 g/L牛血清蛋白(BSA)溶液的过滤特性,对膜阻力进行分析。SEM结果表明,随着GO的掺杂,膜断面出现横向生长的狭长小孔,膜表面逐渐变光滑。傅里叶变换红外光谱(FTIR)分析结果表明成功制备出了GO/PVDF膜;热分析(TG)和拉伸实验结果表明GO的掺入增强了膜的热稳定性和力学强度。随着GO掺杂量的增加,膜过滤BSA溶液的稳定通量逐渐增大。当GO的掺杂量为2 wt%时,膜的BSA溶液通量达到121 L/(m2·h)。BSA溶液过滤实验中,膜表面沉积阻力占主导。经过物理清洗后,膜的纯水通量恢复率低于55%,而经化学清洗后,恢复率大于96%。  其次,提出了GO/CS/AM(GCA)三元杂化PVDF复合膜的改进思路。利用壳聚糖(CS)、丙烯酰胺(AM)接枝改性GO,制备GO/CS/AM(GCA)三元复合物,再将GCA掺杂到PVDF中,利用相转化法制备GCA/PVDF复合平板膜。考察GCA对膜微观结构、性能的影响,随后考察了膜对0.5 g/L BSA溶液的过滤特性,分析膜的阻力分布,并研究了膜的清洗方式。FTIR结果显示GCA和PVDF的特征峰均出现在复合膜中,表明GCA与PVDF实现了有效的混合;TG分析表明GCA使膜的热稳定性增强,拉伸实验表明GCA使膜的力学性能增强。抗菌性实验表明,复合材料GCA以及GCA/PVDF平板膜在酸性条件下具有良好的抗菌性。随着GCA掺杂量的增加,膜的纯水通量和BSA溶液通量逐渐增大,膜的亲水性增强。当GCA的掺杂量为2wt%时,GCA/PVDF膜的接触角为41.5°,纯水通量为625 L/(m2·h),BSA溶液通量为204 L/(m2·h),截留率为76%。  最后,研究了GO/PVDF以及GCA/PVDF膜对造纸废水的处理效果。考察了膜孔径以及膜的亲水性对造纸废水的超滤(UF)进水、一段反渗透(RO)浓水和二段RO浓水的处理效果。随后采用混凝-有机膜工艺处理三沉池废水,考察混凝剂对废水浊度的影响,继而在最优混凝剂投加量下,考察了预处理形式、剪切强度以及阻垢剂对三沉池废水处理效果的影响。结果表明:孔径为1和2μm的膜在过滤初期通量很大,但衰减速率很快,稳定阶段,两种膜的通量都较小;对于孔径为0.1、0.3和0.55μm的膜而言,稳定通量随着孔径的增加而增大。硫酸铝对三沉池废水的浊度去除率最大,并且其理想添加量为40 mg/L。不同预处理实验中,膜的通量由大到小依次为纯水>混凝上清液>混凝原液>原水,采用混凝预处理方式可有效减轻膜污染,提高膜通量。硫酸铝具有较好的抗剪切破坏的能力。在0.1 MPa,25℃,阻垢剂添加量为5 ppm时,GO/PVDF膜的稳定通量从513L/(m2·h)增大到528 L/(m2·h); GCA/PVDF膜的稳定通量从357 L/(m2·h)增大到370L/(m2·h)。膜清洗研究表明,水力清洗后,膜的通量恢复低于68%;化学清洗膜通量的恢复则更为明显,达到98%以上。
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